基于XDPS的三容液位實訓裝置模糊控制的實現＊

呂曉娟，李玉娜，許海園

基于XDPS的三容液位實訓裝置模糊控制的實現＊

呂曉娟，李玉娜，許海園

（鄭州電力高等?？茖W校 動力工程系，河南 鄭州 450004）

以三容液位過程控制實訓系統為模型，設計了基于XDPS的模糊控制算法。經模糊算法得到的控制量控制電動調節閥的開度，使下水箱的水位達到給定值，并通過組態、圖形生成及圖形顯示功能實現液位控制系統的監控界面。實驗結果表明，所設計的模糊控制器能精確控制三容液箱的水位，有效改善了系統的靜態特性及動態特性，獲得了良好的控制效果。

XDPS；三容液位；模糊控制；控制方案

模糊控制（Fuzzy Control）作為先進控制領域的一個重要應用，其優點是系統的超調量小、響應速度快、波動小、過渡平穩、魯棒性強。THJ-4型過程控制對象是天煌科教實業公司生產的一款多功能物理模擬對象，為復雜控制系統、先進控制系統的研究提供了平臺。本實驗針對該過程控制對象的三容液位控制過程，設計一種Fuzzy-PI復合控制方法，并基于XDPS（XinHua Distributed Processing System）控制方案組態、監控畫面圖形生成及動畫連接，最后進行畫面監控聯機運行、調試，實驗證明了設計方法的有效性。

1 控制系統硬件結構

三容液位過程計算機控制系統主要硬件構成為工程師站人機接口PC機、總線、DPU、端子板、卡件、恒壓磁力泵、電動調節閥、電磁閥、三容水箱、儲水箱。上水箱、中水箱、下水箱串聯構成三容水箱，每個水箱的高度均為200 mm，以上水箱的入口流量作為控制變量，以下水箱的水位為被控量。水箱底部安裝有KYB擴散硅壓力變送器對水位進行檢測和變送。AI端子板和卡件實現下水箱水位測量變送信號的輸入，經預處理后進入DPU，在DPU的組態程序中計算水位與給定值的偏差，經模糊算法得到控制量，控制量經AO、DO卡件和端子板輸出作用到恒壓磁力驅動泵、QSTP-18K型智能直行程電動調節閥和ZS-15H電磁閥。DPU和工程師站PC機通過A、B數據網連接，實現數據共享，因此可通過PC機實現水位的監測和在線控制。

2 三容液位過程的數學模型

三容液位過程可看作三個單容水箱的串聯，即三個單容有自平衡能力對象的串聯。在不考慮時滯的情況下，三容液位對象的傳遞函數為：

式（1）中：3（）為系統的被控量，即下水箱液位；0（）為系統的控制量，即上水箱的入水流量；為放大倍數；1，2，3分別為上水箱、中水箱以及下水箱的時間常數。

考慮到將采用Fuzzy-PI復合串級控制方法，所以將三容對象分為導前區01（）和惰性區02（），其中上水箱為導前區，中水箱和下水箱串聯作為惰性區，則：

式（2）中：1（）為上水箱的出水流量。

首先，進行上水箱對象特性測試，改變電動調節閥的開度可以改變0的大小，作為階躍輸入信號，1為輸出變量，1（∞）為過程響應的穩態值。過坐標原點對響應曲線作切線，切線與穩態值交點所對應的時間就是時間常數1，得導前區數學模型為：

最終確定惰性區的傳遞函數為：

由上述公式可得三容液位對象數學模型為：

3 Fuzzy-PI復合控制系統結構

本實驗采用在基本模糊控制器基礎上再構造一個PI并聯通道的Fuzzy-PI復合控制結構。利用模糊控制器抑制干擾，保證系統響應的快速性，同時又保留了串級控制系統抑制內擾的特點，使系統具有良好的控制精度和動態品質。Fuzzy-PI復合控制系統結構如圖1所示。圖1中，01（）為導前區對象，02（）為惰性區對象，T1（）為主調節器，T2（）為副調節器，c（）為模糊控制器，Zf為執行器和調節閥，1（）和2（）為測量變送器，3（）為被控量，0（）為給定值，（）為偏差量。

圖1 Fuzzy-PI復合控制系統結構

4 系統監控界面的開發

系統監控界面的開發是基于XDPS工程師站PC機的圖形生成軟件（Maker）制作的。Maker為用戶提供模擬觀察對象的模擬基圖目標，輔之以趨勢圖、-、報警和動態位圖等特殊目標，并可將圖中各種目標與實時數據、報警記錄進行動態連接，生成的文件可通過與Maker對應的圖形顯示軟件（Show）顯示出來，觀察到真實世界的形象動態顯示。

本實驗根據工藝和監控要求，運用圖形生成軟件Maker繪制三容水箱液位控制工藝流程圖，包括被控對象的工藝管線、現場安裝的各種變送器、執行器等設備。先啟動XDPS總控軟件Netwin.exe，然后，在Netwin中以ENG以上身份登錄，按“圖形生成”按鈕啟動Maker.exe。接下來的繪制方法類同于Windows中的畫圖軟件操作方法。在繪制好的基圖目標基礎上，建立動畫連接。選中基圖目標后雙擊，彈出動畫連接編輯動畫對話框。通過該對話框上的按鈕可以增加、修改、刪除、移動所選目標的動畫連接，編輯結束后按“關閉”按鈕。

5 實驗結果及分析

點擊“DPU組態”進入組態界面，點擊LK進行在線連接；先選中在線DPU號，再用“讀入組態文件”菜單命令讀入離線組態好的組態文件，然后，用“下裝”菜單命令下裝。下裝后，組態軟件中的數據與DPU一致，軟件進入在線顯示狀態。點擊“圖形顯示”進入三容水箱液位控制流程圖操作界面。先對電動調節閥上電，手動給出一定的開度，再對電磁閥1-8、恒壓磁力驅動泵上電。點擊“AUTO”，在彈出的手操器上設置水位給定值、調節器參數，并將系統切為自動狀態。實驗將液位從低液位升高到給定值。通過單點調入功能，調出下水箱液位的實時趨勢圖。

6 結束語

本文在研究模糊控制應用的基礎上，構建了基于XDPS的三容液位模糊控制系統，設計了Fuzzy-PI復合控制方案，在Maker環境中開發了監控軟件，并實現了系統的在線運行調試。在線調整明顯優于常規PID調節器。實驗表明本文方法有效改善了系統的動態特性，魯棒性較好。

［1］孫建平.LABVIEW中模糊PID的實現及在XDPS中的應用［J］.儀表儀器用戶，2016（2）：40，41-43.

TP273

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.006

2095－6835（2019）13－0014－02

呂曉娟（1980—），女，河南信陽人，碩士，副教授，研究方向為熱工控制儀表及系統。

編號：ZEPCKY2019-27

〔編輯：張思楠〕